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光学の目

このレッスンの目標は、材料を探索して操作し、観察を行い、共有し、ゼラチンの形状と光の関係についての基本的な理解を構築するための自由な機会を学生に提供することです。

学生に次のことを紹介します。

光
レンズ
支援視覚技術

年齢レベル： 10-14

材料と準備

キット

アクティビティ資料を含むキットは、次の場所にあります。 https://laserclassroom.com/product/eyes-on-optics-kit-a-gelatin-optics-engineering-project/

概要

学生用ワークシート1：KWLチャート–アクティビティ5で再び使用するために保存する
正常、遠視、近視のアイダイアグラム/配布
眼鏡のペア

アクティビティ1

学生用ワークシート＃2：材料と実験のセットアップ
準備されたゼラチンスラブ（以下のレシピを参照）
ライトブロックスのセット（https://laserclassroom.com/light-blox/）またはLaser Blox（https://laserclassroom.com/laser-blox/)
円形のクッキーカッターのセット
プラスチックナイフ

アクティビティ2

学生用ワークシート＃3：レイトレーシング
準備されたゼラチンの形
- 成形凸レンズ
- 成形凹レンズ
- ゼラチンの正方形（〜3 "X 3"）
- ゼラチンの円（直径約3インチ）
ライトブロックスのセット（https://laserclassroom.com/light-blox/）またはLaser Blox（https://laserclassroom.com/laser-blox/)

アクティビティ3

チームごとに1つの準備されたゼラチンスラブ
チームごとに1セットの円形クッキーカッター
チームごとに1つのプラスチックナイフ

アクティビティ4

チームごとに1つの準備されたゼラチンスラブ
チームごとに1セットの円形クッキーカッター
チームごとに1つのプラスチックナイフ

アクティビティ5

学生ワークシート＃1
チームごとに1つの準備されたゼラチンスラブ
チームごとに1セットの円形クッキーカッター
チームごとに1つのプラスチックナイフ

アクティビティ6

チームごとに1つの準備されたゼラチンスラブ
チームごとに1セットの円形クッキーカッター
チームごとに1つのプラスチックナイフ
目のテンプレート
参考のためのKWLチャート

設計課題

ライトブロックスのセット
成形レンズのセット–XNUMXつは凹面でもうXNUMXつは凸面
ゼラチンのスラブ
プラスチックナイフ
クッキーカッター
目のテンプレート
ワークシート＃1から完成したKWLチャート

ゼラチンレシピ：

次のレシピは、約XNUMXつの大きなディスクに十分なゲルを作成します。
- 4カップの水
- Knoxオリジナルゼラチンの封筒8枚
- 1” x 9” x 7”の寸法の2つのコンテナ
- 湯を沸かす。 Knox Original Gelatinの4つの封筒（または8：1の水とゼラチンの比率）に2カップの沸騰したお湯を混ぜます。
アクティビティ＃2では、混合物をレンズモールドトレイに注ぎます。
他のすべての活動では、液体の深さが少なくとも0.75インチになるように混合物を容器に注ぎます。ゼラチンを冷蔵庫に一晩入れて固めます。

試験材料とプロセス

材料

大きなごみ箱または箱に入ったさまざまな清潔で乾燥したリサイクル可能なもの（プラスチック、ガラス、金属/アルミ缶、紙）
長いテーブルまたはいくつかの短いテーブルを一緒に配置

プロセス

デザインを長いテーブル（またはいくつかの短いテーブルを一緒に配置）に配置し、リサイクル可能なものをデザインに追加し、各デザインがリサイクル可能なものを別々のビンにどの程度適切に分類するかを文書化します。

エンジニアリングデザインチャレンジ

設計課題

あなたは、患者の視力を改善するためのレンズのシステムを設計するという課題を与えられたエンジニアのチームの一員です。レンズの光学と人間の目について学ぶために、6つのアクティビティを完了します。

基準

患者の視力を改善するためのシステムを設計およびスケッチします。

制約

提供された材料のみを使用してください。

アクティビティの説明と手順

レッスンには45〜60分の授業がXNUMX回必要です

課題の紹介

まとめ
このレッスンは、学生が質問をし、率先して、創造的に考えることを奨励するオープンエンドのプロジェクトであるデザインチャレンジで終わります。エンジニアリングと設計の課題は、科学的プロセスを採用し、技術的な知識とスキルを開発し、現代社会で成功するためのコンテキストと意味を提供します。

このデザインチャレンジを紹介するために、学生は患者の視力を改善するレンズのシステムを設計するという目標を提示され、学生はチャレンジに対応するためにレンズの光学系と人間の目について知っていることと必要なことを特定します。

背景スキルと知識

光源（またはオブジェクト）から目への光の経路（オプションのアクティビティ：教室の洞窟)
人間の目に入る光の経路：網膜と焦点
オプションのアクティビティ– 自分のビジョンを試してみてください

アクティビティの設定

学生を2人または3人のチームに分けます。レンズと人間の目の構造と機能についてのブレインストーミングセッションの舞台を設定します。

眼鏡をかざしてください。

眼鏡が視力を改善するためにどのように機能するかを生徒に説明してもらいます。自分自身をより完全に表現するのに役立つ場合は、生徒にデザインをスケッチさせます。

このレッスンは設計上の課題で終わることをクラスに説明します。学生のチームが患者の視力を改善するためのレンズのシステムを設計することを説明します。彼らは患者の目のモデルを受け取り、患者の視力を改善するためのレンズのセットを設計する任務を負うことを説明します。

チームは、レンズの設計とテスト中に収集したデータに基づいて、設計上の決定を説明する必要があることを説明します。

クラスディスカッションを行う–生徒に質問します。

眼鏡はどのように機能しますか？
眼鏡はどのように目と組み合わせて視力を改善しますか？
彼らの異なるタイプのメガネはありますか？もしそうなら、それらはどのように異なり、なぜですか？
医師はどのタイプのレンズが視力を改善するかをどのように理解していると思いますか？

レッスンの促進

正常な眼、遠視、近視の眼の画像を画面に投影するか、これらの画像を使用してチームに配布物を配布します。

クラスとして、画像間の違いを調べて話し合います。生徒が次のことを理解し、注意するのを助けます。

図面に示されている目の構造の基本的な機能を特定して理解する
目のレンズは全体を通して同一です
レンズから網膜までの距離は目ごとに異なります
網膜はすべての目で同じ場所にあります
全体としてそれぞれの目の形が異なります

シナリオチャレンジと学生ワークシート＃1、KWLチャートを学生に配布します。クラスとして、シナリオを読んで確認します。生徒がペアでKWLを完了することを許可します。

まとめと考察

クラスとして、シナリオを確認し、ボランティアにKWLグラフィックオーガナイザーから共有してもらい、デザインチャレンジに対する学生の理解を評価します。

次のような質問を生徒に行います。

あなた自身の言葉で、あなたが与えられたデザインの挑戦をどのように説明しますか？
視力を改善するためのレンズシステムを設計するために知っておくべきことは何だと思いますか？
この課題に対処するのに役立つ人間の目と視覚について、すでに何を理解していますか？
この課題に対処するのに役立つレンズの性質について、すでに何を理解していますか？
デザインの課題に対応するために何を学ぶ必要があると思いますか？

アクティビティ1：光とゼラチンで探索する （45〜60分）

まとめ

このアクティビティの目標は、光が光源を出てゼラチンを通過してから出るときの光の経路を観察および記録するための最も効果的な方法を見つけて文書化することです。

学生は、材料を探索して操作し、観察を行い、共有し、ゼラチンの形状と光の関係についての基本的な理解を構築するための自由な機会があります。この自由な探求は、視力を改善するためのレンズシステムを設計するという最終的な課題に対処するのに役立つ創造性と問題解決を促進します。

学習成果

このアクティビティの結果、生徒は次のことができるようになります。

ゼラチンとライトの向きを変えて、光源からゼラチン片を通過する光の経路を観察します。
ゼラチンを通過する光の経路を説明し、文書化します

oゼラチンをテーブルの上に平らに置いた状態

oゼラチンがテーブルの上に平らに置かれていない状態

o LightBloxが広い側に座っている1つのビーム

o LightBloxが狭い側に座っている1つのビーム

o一度に3つのビーム

事前の知識とスキル

アクティビティ1を開始する前に：

学生は、このレッスンの最後にデザインチャレンジを理解している必要があります。上記の「チャレンジの紹介」セクションを参照してください。
探査活動の包括的な目標を紹介します。光源を出てゼラチンを通過してから出る光の経路を観察および記録するための最も効果的な方法を見つけて文書化することです。

以下を測定および記録する方法をデモンストレーション/モデル化します。

生徒に一連の材料を見せ、クッキーカッターとプラスチックナイフを使用してさまざまな形のゼラチンを作成する方法を示します。
それぞれの面から光が当たるように形を操作する方法を生徒に示します。
ゼラチンを通過する光の向きを決めるXNUMXつの異なる方法を生徒に示します。

活動の促進

創造性、探求、および文書化を奨励する

材料の探索と実験のモデル
生徒用ワークシート＃2を配り、観察結果を記録する方法をモデル化します
文書化する方法を示します。
- ゼラチン片のサイズと形
- ゼラチンの向きと光
- 光のビームがゼラチンを通過してゼラチンから出るときにライトブロックスを離れるときに始まる光のビームの経路全体
- チームを作成し、リソースを配布します。各チームが、切断、クッキーカッター、プラスチックナイフ、Light Blox（またはその他の光源）、XNUMX枚の紙、および記録資料用の「ゼラチンのスラブ」にアクセスできることを確認してください。
安全で可能な場合は照明を暗くしてください
生徒が機器を準備して整理するときに、教室全体を循環してチームを観察します。
生徒の作業を観察しながら、部屋全体を循環します。チームが作業するときは、ゼラチンを通してLight Bloxを照らす努力を観察し、機器の管理とセットアップに苦労している個人またはチームを支援します。
必要に応じて、生徒たちに自分たちの活動について話し合ってもらいます。生徒に、機器の配置、形の切り取り、照明の向き、観察したことの記録、観察の意味を理解するための取り組みについて、自由形式の質問をします。
必要に応じて、クラスを停止して、XNUMXつ以上のチームの作業を他のチームと共有します。このような中断を使用して、創造的なデザイン、ライトの位置合わせ方法、ゼラチンとスクリーン、記録管理、チームワークなど、探索の前向きな例を強調します。

期間中、フォローアップディスカッションで参照する作業の詳細な記録を保持するように生徒に思い出させます。

要約して反映する

活動を終わらせ、チームに仕事を分かち合い、結果について結論を出すように促します。

クラスで生徒の調査結果について話し合う
- ゼラチンとライトの向きを変えて、ゼラチンを通過するときの光の経路を観察する方法
- ゼラチンがゼラチンを通過するときに、ゼラチンの形状が光の経路にどのように影響するか
- 将来的には、人間の視力を改善するためのレンズのシステムを設計することを思い出してください。この課題に当てはまる今日、あなたは何をし、学びましたか？
- クラスとして、光が光源を離れ、ゼラチンを通過し、ゼラチンから出るときの光の経路を追跡する手順に同意します。

どうしたの？屈折の定義と詳細情報への参照。オプション：運動感覚屈折活動 http://laserclassroom.com/products/kinesthetic-model-refraction/

アクティビティ2：レンズ形状の実験 （45〜60分）

まとめ

学生は科学的プロセスを使用して、定性光とレンズの形状（凹面、凸面、正方形、円）との関係。

学習成果

このアクティビティの結果として、学生は、光源からレンズの片側を通ってゼラチン片の反対側に通過する単一の光線の経路を記録できるようになります。そして、光がゼラチン片をどのように通過するかについて結論を導きます。

平らな/まっすぐな表面
曲面
凸レンズと凹レンズの両方を通過する光の経路を説明、デモンストレーション、記録します（3つのライトを使用）
識別および定義：凹レンズ、凸レンズ入射光線、屈折光線

事前の知識とスキル

アクティビティの開始時に確認します。

ゼラチンとライトの向きを決める方法（前のアクティビティから）
ゼラチンを通過する光の経路を記録する方法（前のアクティビティから）

アクティビティの準備

4つのステーションを設定する

3ライトブロックスとゼラチンの輪
3ライトブロックスとゼラチンの正方形
3つのライトと成形された凸レンズ
3つのライトと成形された凹レンズ

実験を始める前に：科学的プロセスを説明する

光とレンズの体系的な研究を奨励します。各ステーションで、生徒に適切なラベル（入射光線と屈折光線、凹レンズまたは凸レンズ）を含む図面を使用して観察結果を記録させます。
独立変数と従属変数の違い
どの変数が各ステーションの独立変数と従属変数であるか
従属変数はレンズの形状です–凹面または凸面
仮説を立ててから結論を出すまで、生徒が従うことを期待する科学的プロセスの追加のステップ。
科学的プロセス： https://nces.ed.gov/nceskids/help/user_guide/graph/variables.asp

以下を測定および記録する方法をデモンストレーション/モデル化します。

光源からレンズまでの位置と距離
従属変数（レンズの形状）として光の経路に何が起こるかが変化します。
レンズを通過するときの光の振る舞い
実演しながら語彙を確認する
- 入射光線
- 屈折光線
- 凹レンズ
- 凸レンズ
- フォーカルポイント

活動を促進する

生徒用ワークシート＃3を配る
このアクティビティでは、生徒は科学的プロセスを使用して、さまざまな種類のレンズが光の振る舞いに及ぼす影響をより体系的かつ具体的に分析することを説明します。 XNUMXつのステーションを巡回することを生徒に説明します。
各ステーションで、XNUMXつのタイプのレンズを通過する光を説明し、レンズを通過するときの光線の動作を記録します。
生徒に、各ステーションでの観察結果を図面やラベルで観察して記録するように指示します。
- 光源
- インシデントレイ
- 屈折光線
- 凹レンズ
- 凸レンズ
- 焦点（この時点で焦点距離を導入したり、焦点と視界の関係について話し合う必要はありません）
- メモ、結論、その他の所見
生徒をペアに分けます。ステーションにペアを割り当てます。
各ステーションで費やされる時間の予想と、生徒が各ステーションで測定および記録することを期待するライトとレンズの配置の数を設定します。
チームが彼らの努力を観察するために働く間、部屋中を循環します。チームが機器をセットアップし、従属変数と独立変数を識別し、結果を測定、記録、および描画するのを支援します。
必要に応じて、実験のセットアップ、光の位置の測定方法、レンズに出入りする光線の角度、次のステーションに移動するときに一定に保つ変数について生徒と話し合います。そして次のレンズ。
生徒の努力を強調する機会が生じた場合は、行った観察のいくつかについてクラスディスカッションを行います。生徒に、実験のセットアップ、結果を測定および記録する方法、およびステーション間で作業の一貫性を保つ計画について、同僚に説明してもらいます。
時間に注意してください。別の駅に移動する前に、生徒にライトを少なくともXNUMX、XNUMX回再配置して測定するのに十分な時間を与えます。
生徒が次の駅に移動する約5分前に、「事前警告」を行います。現在の駅で仕事を完了するように伝えます。
残り1〜2分で、生徒にステーションをクリーンアップして、見つけたときの状態（またはそれ以上）に復元してもらいます。時間が許せば、別の駅に移動します。そうでない場合は、生徒が次の期間を中断したところから再開することを説明します。

要約して反映する

活動を終わらせ、チームに仕事を分かち合い、結果について結論を出すように促します。

結果と結論についてクラスで話し合い、共有する
- 正方形対円
- 凹レンズはレンズの前に焦点を生成します
- 凸レンズはレンズの後ろに焦点を作ります
- レンズの中心から焦点までの距離は焦点と呼ばれます
- 長さ
- 語彙に対処する

アクティビティ3：独自のレンズを作成する–デザインとドキュメント （45〜60分）

まとめ

学生は、指示された調査に従事し、これまでに学んだことを使用して、さまざまなサイズ（幅）の凹レンズと凸レンズを確実に作成/設計する方法のプロセスを文書化します。

学習成果

このアクティビティの結果、生徒は次のことができるようになります。

サークルクッキーカッターを使用して、ゼラチンから凹レンズと凸レンズの両方を切り取る方法を説明、デモンストレーション、記録します。
従属変数（レンズの形状、サイズ、光源からの距離）が変化したときに、光の経路がどのように動作するかについての証拠から結論を導き出します。

アクティビティの前に、紹介、話し合い、またはレビューします

凹レンズと凸レンズ
繰り返し可能なプロセスを文書化する方法 http://www.wikihow.com/Document-a-Process

活動を促進する

このクラスの期間をとって、生徒に作成する形を示して資料を与えた後、生徒に一定の時間（15〜20分）苦労することを許可することを強くお勧めします。形状を作成します。凹レンズと凸レンズの両方を作成する方法を理解したら、使用したプロセスを文書化します。

この課題は、基本的なことを理解するための基礎を築きますが、これらの種類のレンズについては直感的ではありません。つまり、それらは円から派生しているということです。そして、レンズの特性を説明する数学のより高度な理解は、その理解に依存しています。この簡単な実践的な活動は、学生に凹/凸レンズと円の間の関係の経験的で直感的な経験を与えます。

今日の課題を紹介します：凸レンズと凹レンズをカットする方法のプロセスを文書化します
- 凹面：2〜3種類のサイズ
- 凸面：2〜3種類のサイズ
生徒の各ペアに、丸いクッキーカッターのセットとゼラチンの〜9 "X7"スラブを渡します。
学生のチームがレンズの形状を切り抜く実験を15〜20分待ち、丸いクッキーカッターを使用して凹レンズと凸レンズを設計するための再現性と信頼性の高いプロセスの文書化に焦点を当てます。
チームが彼らの努力を観察するために働く間、部屋中を循環します。必要に応じて、チームが機器をセットアップするのを支援します。

要約して反映する

15〜20分後に生徒を止めて、生徒の作業についてクラスディスカッションを行います。生徒に実験のセットアップとプロセスを文書化する方法を仲間に説明してもらいます。
クラスとして、生徒の発見と入力に基づいてプロセスを作成（文書化）します。

アクティビティ4：レンズサイズ（幅）を使用した実験 （45〜60分）

まとめ

学生は、最後のクラス期間に文書化されたプロセスを使用して、データを収集および記録し、焦点距離に対する従属変数（レンズの幅）の影響について結論を出すための科学的プロセスに従事します。 これは定性的です。たとえば、焦点距離が長くなったり短くなったりします。

レンズのサイズ（幅）と光源からレンズまでの距離が焦点距離にどのように影響するかを理解することは、学生が最終的な課題に取り組むときに視力を改善するレンズのシステムを設計するのに役立ちます。

学生は：
- デザイン：
  - 凹面：2〜3種類の幅
  - 凸面：2〜3種類の幅
- 記録：ビーム経路とおおよその焦点距離
  - 凹レンズ：2〜3種類の幅
  - 凸レンズ：2〜3種類の幅
- レンズの幅と焦点距離の間の定性的な関係を結論付けます
- 用語と概念：
  - 光源
  - 焦点距離–レンズの幅を変更すると焦点距離にどのように影響しますか？

アクティビティの前に、紹介、話し合い、またはレビューします

独立変数と従属変数の違い
今日の活動において、どの変数が独立変数と従属変数であるか–
- レンズの幅とレンズからの光源の距離は、結果に影響を与える従属変数です。焦点距離
の定義 焦点距離 & 簡潔に、ビジョンとの関係。
- 光源=オブジェクト（オブジェクトから目に跳ね返る光）
- 目に入る光は、鮮明な画像を形成するために網膜に直接焦点を合わせる必要があります。
より多くの数学を紹介したり、焦点距離をより詳細に調べたりしたい場合は、カーンアカデミーが参考のために優れた概要を提供します。
- 凸： https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/convex-lenses
- 凹面： https://www.khanacademy.org/science/physics/geometricoptics/lenses/v/concave-lenses

観察、測定、記録の方法をデモンストレーション/モデル化する

凹レンズと凸レンズの両方のおおよその焦点距離を決定する方法
従属変数（レンズの幅）としての光の振る舞い（経路）はどうなりますか。
デモンストレーションしながら語彙を確認または紹介します
- 入射光線
- 屈折光線
- 凹レンズ
- 凸レンズ
- 焦点距離

活動を促進する：

光とレンズを使った体系的な実験を奨励する

今日の活動の目標を紹介します。
- データを収集し、レンズのサイズ（幅）が焦点距離に与える影響について結論を導き出します
- データを収集し、光源からレンズまでの距離が焦点距離に与える影響について結論を導き出します。
生徒の各ペアに一連の資料を渡します。
- 丸いクッキーカッターのセット
- ゼラチンの9 "X13"スラブ
- ライトブロックスXNUMX個セット
生徒に指示を与える
- 幅の異なる3つの凸レンズを設計する
- 各レンズの幅とそれに対応する焦点距離を測定して記録します
生徒に指示を与える
- 幅の異なる3つの凹レンズを設計する
- 各レンズの幅とそれに対応する焦点距離を測定して記録します
生徒に指示を与える
- 光源とレンズの間の距離が変化するにつれて焦点距離がどのように変化するかを測定して記録します。
チームが測定値と観察結果を記録したら、アクティビティを終了します。
生徒に作業をまとめる時間を与え、必要に応じてデータテーブルと図面を完成させます。
片付けのために時間を取っておきます。

まとめと考察

チームに結果を共有するように依頼します。チーム/個人が彼らが何をしたか、彼らが何を観察したか、そして彼らが結果についてどのような意味を持っているかを説明するクラスディスカッションを開催します。アプローチに応じて、いくつかのアクティブラーニング戦略のいずれかを使用するか、ボランティアを招待してクラスの前で自分の作品を描いたりデモンストレーションしたりすることができます。

図面やデータ表などの学生の結果を使用して、各タイプのレンズに光を通すことの違いを比較します。
クラスとして、次のような質問について話し合います。
- レンズの幅が増減すると焦点距離はどうなりますか？
- 凹面でも凸面でも同じですか？
- 光からレンズまでの距離によって結果は異なりますか？
- 最終的な課題に役立つ凸レンズと凹レンズについて何を学びましたか？
クラスとして、実験の結果について話し合います。対処する質問には、次のものが含まれますが、これらに限定されません。
- レンズが小さくなったり大きくなったりすると、焦点はどのように変化しますか？
- これらの結論を裏付ける証拠は何ですか？
- 凹レンズと凸レンズの結果はどのように異なりますか？
- レンズの形状とサイズおよび焦点の関係を理解することは、視力を改善するためのレンズシステムを設計するという最終的な課題にどのように役立ちますか？
- 学生が焦点とレンズサイズについて予測した場合、彼らの予測は結果とどのように比較されましたか？意外な結果はありましたか？
- 最後のアクティビティでは、視力を改善するように設計されたレンズのシステムを作成することが求められます。課題に対処するのに役立つレンズと焦点について何を学びましたか？
- 目の画像（通常、近視、遠視）を思い出してください。ダイアグラムのどの部分に光を集中させたいですか？

アクティビティ5：2つのレンズシステムでの実験 （45〜60分）

まとめ

デザインチャレンジの準備としての最後の活動として、学生はレンズペアのさまざまな組み合わせを通過するときの光の振る舞いを探ります。最後のチャレンジでは、学生は患者の目の図を受け取ります。システム内のXNUMXつのレンズは、目にあるレンズを表します。学生は、患者の視力を矯正または改善するために、XNUMXつまたは複数のゼラチンレンズを設計する必要があります。レンズの組み合わせとそれらの位置合わせは、患者の目の図の網膜に光を集中させる必要があります。

最初にKWLチャートの最後の部分に記入します。

学習成果

このレッスンの結果、生徒は次のことができるようになります。

光の経路と焦点距離に対するXNUMXつのレンズのシステムの影響を説明、デモンストレーション、記録します
- 2つの凸レンズ
- 2つの凹レンズ
- 1つの凹レンズと1つの凸レンズ
視力または焦点画像を強化するために使用されるさまざまな機器におけるレンズの役割を説明する
- カメラ
- 望遠鏡
- 顕微鏡
- 拡大鏡
人間の視覚におけるレンズの役割を説明する
- 人間の目には凸レンズが含まれています
- 明確な人間の視覚は、特に網膜に光を集中させる能力に依存しています
- 一般的な視力の問題としての近視と遠視
近視または遠視が存在する場合、さまざまなレンズが人間の視力をどのように強化するかを予測します。

オプションの数学

https://www.khanacademy.org/science/physics/geometric-optics/lenses/v/multiple-lenssystems

複数のレンズを試すための準備を整えます。

クラスとして、XNUMXつ以上のレンズを使用するさまざまな楽器のリストを作成します。眼鏡と組み合わせた目がレンズシステムであると生徒が提案した場合は、最後のレッスンでこの組み合わせに具体的に取り組むことを説明します。今のところ、望遠鏡、顕微鏡、双眼鏡などの機器に焦点を当てます。

さまざまな楽器がどのように機能すると思うか、レンズとレンズと光の関係について生徒に説明してもらいます。

このアクティビティでは、生徒が光の振る舞いに関するレンズの組み合わせを探求することを説明します。結果を観察および記録するために、XNUMXつのレンズに光線を通過させることを説明します。

クラスとして、実験の多くの変数、どの変数を変更し、どの変数を同じに保つかについて話し合います。学生が認識すべきいくつかの変数は次のとおりです。

レンズ間の距離
レンズの種類を組み合わせてレンズのペアを作成する
光源からレンズまでの位置と距離

活動を促進する

このアクティビティでは、生徒は自分の作業を注意深く記録する必要があることを説明します。利用可能な時間に応じて、すべてのチームにレンズのすべての組み合わせで作業するか、クラスを「専門家グループ」に分けて、調査したシステムでクラスに報告する責任をチームに割り当てます。

チームは、次のレンズの組み合わせのすべてまたは一部を試す必要があります。

凸+凸
凹面+凹面
凸面+凹面
最初にKWLチャートの最後の部分に記入します
生徒に実験の計画を立て、設定を描き、結果を記録するためのデータテーブルを作成してもらいます。または、ボード上に機器のセットアップを描き、各チームにデータテーブルを配布します。
チームが実験の適切な計画を示したら、ゼラチンとツールを提供します。
生徒がレンズの組み合わせの効果とレンズ間の距離を変えることの効果を探求することを確認してください。
光の振る舞いに対するさまざまなレンズの組み合わせの影響に注意を向けてください。
レンズ間の距離を変えることによる光の振る舞いへの影響に注意を向けてください。
生徒を観察するために部屋中を循環します。必要に応じて、チームを実験手順、測定、観察、および結果の議論に参加させます。彼らが彼らの方法を彼らの結果に結びつけるのを手伝ってください。
（オプション）ここに示すようなレンズの「光線図」を生徒に作成してもらいます。

まとめと考察

学生が行った実験に閉鎖をもたらします。クラスとして、さまざまなレンズのペアを通過するときの光の動作と、レンズのペア間の距離を変更した場合の影響を確認します。

必要に応じて、プレゼンテーションを行う前に、レッスンの前のステップの作業を確認して完了する時間を生徒に与えます。
チームに結果を共有してもらいます。観察と結論を説明するために図面とデータを参照するように生徒に勧めます。
クラスとして、次のような質問について話し合います。
- 一方のレンズをもう一方のレンズに近づけたり遠ざけたりすると、焦点はどうなりますか？使用しているレンズの組み合わせによって異なりますか？
- XNUMXつの凸レンズの焦点はどうなりますか
- XNUMXつの凹レンズの焦点はどうなりますか？
- 異なるレンズのさまざまな組み合わせはどうなりますか？
- XNUMXつ（またはそれ以上）のレンズでの作業は、患者の視力を改善するためのレンズシステムを設計するという最終的な課題にどのように適用されますか？
- 近視の患者の視力を改善するレンズの組み合わせはどれだと思いますか？
- 遠視の患者の視力を改善するレンズの組み合わせはどれだと思いますか？

オプション

レンズの追加の組み合わせを試してください。
望遠鏡、レーザー、顕微鏡、双眼鏡などのレンズを使用するさまざまな機器の設計を研究します。

課題：視力の問題を修正するための2レンズシステムの設計（45〜60分）

まとめ

このアクティビティは、視力の問題を修正するレンズシステムを作成するプロセスを生徒に説明することに焦点を当てています。アクティビティレッスンの目標は、完璧なレンズを設計することではなく、エンジニアリングプロセスの問題を解決するために何が必要かを理解することです。発見が探索を動機付けることができるように、十分な時間といくつかの構造化された境界を許可してください！

事前の知識とスキル

光は、物体に当たるまで、またはある媒体から別の媒体に移動するまで、直線的に移動します。
私たちが見るものはすべて、私たちの目に入る光の結果です。その光のほとんどは反射されます
光がXNUMXつの媒体から別の媒体に通過するとき（つまり、レンズを通過するとき）、光は曲がったり屈折したりします
レンズの形状と材質は、光の曲がり方に影響します
目には、網膜に光を集中させるレンズが含まれています。鮮明な視力は、画像が網膜上に特異的に形成されるように、眼に入る光を曲げる眼のレンズの能力に依存します

活動を促進する：

学生のKWLチャートを確認して参照する
スリットキャップをオンにしたライトブロックス3セットと、成形ゼラチンレンズXNUMX枚（凸面と凹面）をXNUMX人の生徒の各グループに配ります。
ライトをオンにする方法を生徒に示し、3〜5分待って、ライトがレンズをどのように通過するかを調べます。
「通常の」視力を持つ目のテンプレートを配ります。成形された凸レンズを目の「中に」置いて、光が網膜上の焦点に到達することを確認してもらいます。見ることは明らかに、網膜と呼ばれる目の特定の場所に着地する焦点に依存します。
次に、光が間違った場所に当たるために視力矯正が必要な遠視眼のテンプレートに成形された凸レンズを配置するように生徒に指示します。焦点がどこにあるかに注意してください。これは良い視力を生み出しません！
問題を定義し、解決策を推測するように依頼します…焦点を別の場所に「移動」させる可能性があるもの。この時点で、凹レンズと凸レンズの両方を一緒に使用して、凹レンズが焦点を移動することを生徒が発見できるようにします。
次に、各グループに、準備された4倍の強度のプレーンゼラチンの正方形（〜8 "X 3"）とさまざまな直径のXNUMXつの丸いクッキーカッターを与えます。
このゼラチンを使用すると、視力の問題を修正するためにXNUMX番目のレンズが作成されることを説明します。彼らが利用できる材料と道具は、ゼラチン、ナイフ、クッキーカッターです！
まず、クッキーカッターとゼラチンを使って凹レンズと凸レンズを作成する練習をするように生徒に依頼します。
次に、クッキーカッター、プラスチックナイフ、ゼラチンを使用してレンズを作成するように生徒に依頼します。これにより、テンプレートに示されている視力の問題が修正されます。
学生がレンズの設計を作成、テスト、および改善するとき、彼らはレンズと光を使用してエンジニアリングプロセスの本質に取り組んでいます。

目標は、光がレンズで操作できること、そしてこれを行うことで問題を解決できることを生徒が理解できるようにすることです。レンズを正しくするのは難しいでしょう。より上級の学生の場合、彼らが使用している「試行錯誤」アプローチではなく、ソリューションを作成する数学的な方法として、焦点距離、曲率半径、屈折率を導入できます。

時間変更

レッスンは、年長の学生のためにわずか1クラス期間で行うことができます。ただし、生徒が急いでいると感じないようにし、生徒の成功を確実にするために（特に若い生徒の場合）、レッスンをXNUMXつの期間に分割して、生徒がブレインストーミング、アイデアのテスト、設計の完成に時間をかけることができるようにします。次のクラス期間にテストと報告を行います。

エンジニアリング設計プロセス

背景の概念

アイパターン

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インターネット接続

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執筆活動

レンズには他にどのような用途がありますか？

カリキュラムの調整

カリキュラムフレームワークへの調整

注：このシリーズのすべての授業計画は、Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards、US Common Core State Standards for Mathematics、および該当する場合はNational Council of Teachers of Mathematics'Principles and Standards for SchoolMathematicsにも準拠しています。国際技術教育協会の技術リテラシー基準、および全米研究評議会によって作成された全米科学教育基準。

懲戒のコアアイデア

∙PS4.B：電磁放射

o光の経路は、光の経路が媒体間で曲がる、異なる透明な材料（空気と水、空気とガラスなど）の間の表面を除いて、直線としてたどることができます。（MS-PS4-2）

∙ETS1.A：エンジニアリング問題の定義と区切り

o設計タスクの基準と制約をより正確に定義できるほど、設計されたソリューションが成功する可能性が高くなります。制約の仕様には、考えられる解決策を制限する可能性のある科学的原理およびその他の関連知識の考慮が含まれます（MS-ETS1-1）

∙ETS1.B：可能なソリューションの開発

oソリューションをテストし、それを改善するために、テスト結果に基づいて変更する必要があります。 MS-ETS-4）

科学と工学の実践

∙オブジェクト、ツール、プロセス、またはシステムの開発を通じて解決できる設計上の問題を定義します。これには、考えられる解決策を制限する可能性のある科学的知識を含む、複数の基準と制約が含まれます。（MS-ETS1-1）

∙現象を記述するためのモデルを開発して使用する（MS-PS4-2）

∙データを分析および解釈して、調査結果の類似点と相違点を判断します。（MS ETS1-3）

横断的な概念

∙構造と機能

o構造は、さまざまな材料の特性と、材料の成形および使用方法を考慮して、特定の機能を果たすように設計できます（MS PSR-2）

o構造は、特定の機能を提供するように設計できます

学生用ワークシート

学生ワークシート＃1：KWLチャート

学生名日付

看護師、医師、エンジニアが協力して、視力を改善する眼鏡やその他のツールを設計および構築します。この課題では、患者の視力を改善するためのレンズのシステムを設計します。

誰かの視力を改善するために、人間の目とレンズについて何を知る必要がありますか？

以下のKWLグラフィックオーガナイザーを使用して、誰かの視力を改善するために眼鏡を設計するために知っていること、知りたいこと、学んだことをリストします

私は何知っている目とレンズについて	私は何欲しいです目について知り、レンズ	私は何学んだ目とレンズ